科學研究 - 只需一滴水即可形成100平方公尺的三維奈米水膜

東京農工大學研究生院生命機能科學領域的特任副教授一川尚廣領導的研究小組，與謝菲爾德大學的Xiang-bing Zeng博士領導的研究小組合作，透過利用獨特的「分子設計」控制兩親分子的自組織，成功製作出了一種具有可以三維無限延展螺旋結構的高分子膜。

這種高分子膜浸水後，水分子會沿着螺旋界面結構被吸收，能形成厚度不到1nm，可以三維無限延展的水分子膜（三維水膜）。相當於一滴水可以形成面積爲100m²的三維水膜。另外，在這種水膜中，氫離子（質子）透過水桶接力（Bucket Relay）效應（牛頓擺）傳輸，實施了非常快的質子傳導特性（10^-1Scm^-1）。

本次研究獲得的高分子膜有望作爲燃料電池的電解質膜。而且，考慮到聚合物電解質膜的需求在很多領域都不斷增加，預計今後還能作爲爲各種研究帶來創新的高分子膜使用。

相關研究成果已於2019年6月17日發佈在英國皇家化學學會的《化學科學》網路版上，還將作爲最新一期的封面使用。

＜研究背景＞

質子（氫離子）傳導性高分子膜是一種主要構件，廣泛應用於以燃料電池爲首的各種產品中。要想在高分子膜的膜中實施高速質子傳導，關鍵要在膜中形成水分子的「氫鍵網路」。因爲存在水分子網路可以實施水桶接力式質子傳輸。可以將這種傳動機制看成牛頓擺（圖1）。在膜中，水分子從膜的正面到背面無縫排列對開發優質的質子傳導膜至關重要。

圖1：牛頓下擺樣式質子傳輸示意圖

目前，擁有磺酸基的含氟聚合物作爲質子傳導性高分子膜得到了廣泛應用，比如Nafion等。在Nafion膜中，聚合物鏈隨機排列，由此磺酸基也無序排列。這種膜吸水後，水分子開始從磺酸基周圍有序排列。因此，爲了利用水分子在無序排列的磺酸基之間搭橋，必須吸收更多的水分子。如果能以等間距從表面到背面連續排列膜中的磺酸基，則僅利用與磺酸基蠻力結合且不容易蒸發的水分子（鍵合水）就能確保連續性，有望設計出耐高溫的質子傳導性高分子膜。

作爲高度控制高分子膜中的磺酸基排列的方法，本研究着眼於透過在高分子膜中形成具有三維連續週期性的螺旋結構，使水分子無縫排列，形成「三維牛頓擺」（圖2）。

圖2：牛頓擺示例

＜研究成果＞

螺旋結構是1960年代發現的單元結構，在設計輕量、高強度的材料時受到了關注。近年來，利用3D列印機就能輕鬆製作網格長度爲數釐米的螺旋結構，但網格長度爲「數奈米」的螺旋結構的設計「技術」及「應用」目前尚處於開發階段。

迄今爲止，研究小組已經全球率先開發出很多能自發形成螺旋結構的兩親分子。本研究透過進行各種改良，比如在這些兩親分子中導入聚合性官能基等，挑戰了螺旋結構的聚合固定化。

雖然在分子設計和實際的合成及精煉中遇到了非常多的困難，但研究小組的成員之一、東京農工大學博士2年級的小林翼依然成功開發出了適合本次研究的目的的兩親分子（圖3）。同時還利用新開發的兩親分子形成了螺旋結構，透過照射光使分子聚合，在保持螺旋結構的同時實施了聚合物化，由此製作了自支撐的高分子膜（圖3）。

圖3：設計和合成的兩親分子的結構及採用兩親分子製作奈米結構高分子膜

研究小組對這種高分子膜進行結構解析發現，形成了親水性磺酸基沿着螺旋界面結構排列的結構（圖4中央的紫色）。另外，對該高分子膜浸水後的含水膜進行同步輻射X射線散射測量發現，紫色層中開始形成厚度不到1nm的藍色層（圖4右）。終極因數被認爲是因爲膜中吸收的水分子自發地向螺旋界面的磺酸基聚集並排列，由此形成了厚度雖然不足1nm，但無限延展的「三維水膜」。進行換算的話，用一滴水即可形成面積約爲100m²的水膜。